基于STM32的沉浸式植物养成智能生态花盆系统设计与实现

【中图分类号】S625.5

一、引言

（一）研究背景

随着城市化进程加速，越来越多都市人群渴望通过种植植物缓解压力，但缺乏专业养护知识，超过 68%的城市居民因忘记浇水或施肥导致植物死亡。物联网和人工智能技术的发展为智能园艺设备提供了技术支撑，智能花盆正从简单自动浇水向全方位智能化养护系统发展。

（二）研究意义

本项目将STM32 微控制器技术与多传感器融合、人工智能识别、移动应用开发相结合，为智能园艺设备发展提供新的技术路径。通过游戏化设计和社交功能，增强植物养护趣味性，帮助用户建立养护习惯。同时推动绿色生活方式普及，改善城市生态环境，具有广阔的市场前景。

二、国内外研究现状

（一）国外研究现状

国外智能花盆技术研究较为成熟。荷兰瓦赫宁根大学开发的系统采用边缘计算技术，实现微气候建模与水资源调度。麻省理工学院开发植物神经接口系统，通过纳米电极捕捉植物生物电信号。新加坡国立大学引入 AR 技术，用户可通过手势调节光合强度。日本东京大学通过LoRaWAN 协议建立分布式生态神经网络。

（二）国内研究现状

国内发展迅速，深圳团队开发光合作用增强芯片，提升固碳效率 40% 。北京中关村企业推出智能生态舱，搭载多光谱成像系统。浙江大学研究纳米根系机器人技术，实现亚毫米级精准施肥。上海数字农业实验室构建跨气候带植物数据库。但在用户体验和交互设计方面仍有提升空间。

三、系统总体设计

（一）系统架构设计

系统采用分层架构：感知层（多种传感器和摄像头）、控制层（STM32 主控制器）、网络层（Wi-Fi 模块和 MQTT 协议）、应用层（微信小程序和后台管理系统）。

（二）硬件系统设计

主控制器采用STM32F103C8T6；传感器包括土壤监测、环境监测、光照监测和视觉识别模块；执行器包括灌溉系统、光照系统、通风系统和提示系统；电源模块支持12V 直流供电和锂电池备用。

（三）软件系统设计

嵌入式软件基于Keil MDK 开发，包含传感器驱动、控制算法、通信协议和图像处理模块。云平台采用腾讯云 IoT 服务，实现设备管理和数据存储。微信小程序提供用户管理、设备管理、实时监控、智能控制、游戏化和知识库功能。

四、系统关键技术实现

（一）多传感器数据融合

采用卡尔曼滤波算法和自适应加权融合算法，提高测量精度和可靠性，实现对噪声抑制和缺失数据补偿。

（二）智能控制算法

采用改进的模糊PID 控制算法，建立光温水气肥多因子耦合控制模型，通过多目标优化算法寻找最优控制策略。

（三）AI 视觉识别

采用改进的 YOLOv5 目标检测算法，引入 CBAM 注意力机制，建立包含 200 多种病虫害的图像数据集，识别准确率 592% 。

（四）游戏化设计

设计任务系统、成就系统、奖励系统和社交系统，用户通过完成养护任务积累能量值，解锁 AIGC 生成的拟人化植物形象和花盆皮肤。

（五）AIGC 技术应用

利用 GAN 和扩散模型技术生成拟人化植物形象，建立植物生长状态与虚拟形象的映射关系，增强用户体验。

五、系统测试与性能分析

（一）功能测试

传感器测量精度：土壤湿度误差 <2% ，温度误差 ， CO₂ 误差 <35ppm ，光照误差 <5% 。执行器响应：灌溉系统 <15 秒，LED 调光 256 级，风扇调速 <5 秒。通信可靠性：网络延迟 <200ms ，传输成功率 >99.5% 。AI 识别准确率 592% ，早期病害检出提前 3-5 天。

（二）性能测试

功耗：待机＜1W，工作 <5W ，电池备用 >24 小时。稳定性：连续运行 72 小时无故障。负载：支持 100+ 设备同时在线。环境适应性：在 5.35^∘C 正常工作。

（三）用户体验测试

50 名志愿者测试结果显示： 90% 认为操作简单， 85% 对功能满意， 95% 认为游戏化设计增强乐趣， 88% 认为提高养护成功率。

六、创新点与特色

（一）技术创新

多模态传感器融合、AI 视觉识别、自适应控制算法、低功耗设计。

（二）应用创新

游戏化养护模式、AIGC 个性化生成、社交互动功能、智能诊断系统。

（三）商业模式创新

硬件+软件+服务模式、数据价值挖掘、生态合作模式。

七、结论与展望

本项目成功设计并实现了基于 STM32 的智能生态花盆系统，完成硬件设计、软件开发、云平台构建和客户端开发。系统具有高集成度、强智能化、良好用户体验和低功耗等技术优势，为个人用户、商业用户、科研机构和教育机构提供价值。未来将进一步优化技术、扩展功能、拓展应用领域和推进商业化。

基金项目：大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2024056）

通信作者：吴能杰，E-mail：nj651217@163.com

作者简介：

吴能杰(2004.12)，男，汉族，福建省漳州市，本科，学生，研究方向：软件工程江迎娜(2005.06)，女，汉族，福建省建瓯市，本科，学生，研究方向：软件工程翁旭(2005.06)，男，汉族，福建省福州市，本科，学生，研究方向：软件工程林锐鹏(2005.06)，男，汉族，福建省福州市，本科，学生，研究方向：软件工程